自动加热刨刀在厚板式纵向刨切中的应用

自动加热刨刀在厚板式纵向刨切中的应用

为了减少木材加工过程中受到的影响，提高木材加工单元的质量，通常采用主运动方向与木材纤维方向平行，且叶片和纤维方向之间没有垂直。或者是主运动方向与木材纤维方向垂直，叶片和纤维方向之间没有平行的水平切分。无论是何种刨切,单板因刨切过程中的反向弯曲会产生背面裂隙。单板厚度越大,其背面裂隙深度就越大。单板背面裂隙会直接影响到单板后续产品的质量,如产品的胶合变形、油漆涂饰效果及地板表面的龟裂。因此,抑制单板背面裂隙的形成是提高单板后续产品质量的关键。目前,降低单板背面裂隙的方法主要有:调节刀具角度(研磨角、切削后角、切削角)和进行木方水煮。由于木材硬度和刨切单板厚度等因素的影响,调整刀角只能在一定范围内改善单板表面背面裂隙。提高刨刀刃口的锋利程度,能改善单板表面背面裂隙,但增加了磨刀、换刀次数,降低了生产效率。木方在水、热联合作用下软化,可有效改善刨切单板的表面质量,但工时和成本都较高,且随着刨切时间增加,木方逐渐冷却,软化效应随之减弱。笔者将刨刀加热技术应用于厚单板纵向刨切,结合木方水煮技术,研究刨刀加热对厚单板背面裂隙的影响,以期为降低刨切过程中单板背面裂隙提供更为科学有效的方法。1材料和方法1.1非洲柚子材料红橡(Quercusrubra):密度0.75g/cm3,含水率70%～75%;非洲柚木(PericopsiselataVanMeeuwen):密度0.86g/cm3,含水率55%～60%。两种材料的尺寸均为300mm×80mm×50mm(长×宽×厚)。刨切的单板规格为50mm×300mm(宽×长)。1.2表面粗糙度和裂隙深度测量取单板背面平均裂隙度和单板表面粗糙度轮廓算术平均偏差作为评价单板表面质量的指标。参照刨切单板标准(GB/T13010—2006),在每张单板背面选取5个试验测试区域,采用TR240型表面粗糙度仪在各个区域测量其表面粗糙度。在单板背面涂以墨水,待墨水干后,沿单板横纤维方向切开,使用刻度放大镜(×10倍)测量单板背面裂隙深度。进行2次重复试验。1.3刀自动加热系统、工作嘴唇、夹切工作台的设计厚单板加热刨切试验装置是由B690型液压牛头刨床改造而成的纵向刨切机构,它由刨刀自动加热系统、工作夹紧装置和刨切工作台组成。刨切工作台和工作夹紧装置固定在牛头刨床的工作台和滑枕上,依靠滑枕的水平往返运动,实现主运动,依靠工作台的垂直升降运动,实现试件的进给运动。刨刀自动加热系统加热方式为热油加热,温度可控。1.4软化木方的工艺在刨切前,将红橡在60℃的水池中蒸煮6h,非洲柚木在80℃、质量分数5%的尿素溶液中蒸煮12h。1.5温度变化的监测刨刀楔角β=22°,后角α=1°,刃倾角ω=70°,刨刀切削部分材料为SKH-51。刨切速度为8m/min,热油加热温度200℃。利用红外分析TheramCAMResearcherPro2.7软件将刀体分为51个区域,如图1所示。图1中区域AR01表示整个刀体,区域AR02—AR51表示将刀体分为50个小区域,其中区域AR02—AR11表示刃口附近的区域,AR02—AR11的平均温度可近似为刀具刃口平均温度。利用DJ—700A型红外热成像仪实时监测刀体各区域温度变化。待刀体温度恒定后,在刨切条件相同的情况下,改变单板切削厚度,并与非加热刨切单板的表面质量相比较,研究加热刨切对厚单板表面质量的影响。2结果与分析2.1刀体温度分布根据刀体加热稳定后的红外热成像图,经过热电偶标定,可确定刀体温度100～200℃时的热辐射系数为0.38。红外分析TheramCAMResearcherPro2.7软件得出的各区域的温度情况见表1。由表1可知,刀体温度稳定后,整个刀体(区域AR01)的平均温度为157.3℃,刀刃处平均温度(区域AR02—AR11)为148.8℃,温度较高区域出现在刀体的中部AR22—AR31,平均温度为158.7℃,这主要是由于该区域距离加热油管较近。整个刀体(区域AR01)的温度差值为14.7℃,试验所用的刀体材料在300℃时才开始有蠕变行为,所以刀体可长期稳定在150℃左右工作。2.2性能比较及加热剥削对面板裂隙度的影响在不同切削厚度条件下,加热和未加热刨刀刨切所得单板的背面平均裂隙度和最大裂隙深度比较如表2所示。由表2可知,单板背面的平均裂隙度随单板厚度的增加而增大。当刨切厚度达4mm时,平均背面裂隙度可达70%以上,且柚木单板的背面裂隙度要比红橡单板的背面裂隙度大,主要是由于柚木的材质较红橡硬,易产生较深的背裂。两种木材单板的背面最大裂隙深度都较大,有的甚至接近刨切单板厚度。由表2还知,通过加热刨切得到的单板平均背面裂隙度要比未加热刨切的平均背面裂隙度低,可平均降低20%以上。加热刨切单板的最大裂隙深度也较未加热刨切单板的裂隙深度要小,刨切厚度越小,单板背面裂隙度和最大裂隙深度降幅越大。这主要是由于在刨切过程中,通过刨刀加热能瞬时加热切削区木材,软化和增加刃口边木材的塑性。由于木方的含水率在纤维饱和点以上,刨刀加热可起到软化作用。木材切削层在高温刨刀的作用下,刃口边的木材温度瞬时提高,热蒸汽渗透到刃口边木材,加剧木材的软化和增加柔韧性,因而,刨刀加热可以降低单板背面裂隙度。2.3加工区表面粗糙度加热与未加热刨切红橡和柚木单板表面粗糙度的对比试验结果见表3。由表3可知,红橡和柚木单板的表面粗糙度值都随刨切厚度的增加而增加。红橡单板的表面粗糙度值稍高于柚木单板的粗糙度,这是由于红橡为环孔材,早材导管直径较大,导管壁薄,晚材导管壁厚,早晚材的材质差距较大,而非洲柚木的材质结构较均匀,在加工平面上对表面粗糙度的影响较小。从表3可以看出,红橡和柚木在加热刨切后所得不同厚度的单板,其每个测试区的表面粗糙度状况都有所改善。对于红橡单板,表面粗糙度的平均降幅为21.38%～23.85%;对于柚木单板,表面粗糙度的平均降幅为17.45%～20.51%。加热后得到的单板表面粗糙度降低范围在15%～25%。红橡表面粗糙度的改善程度较柚木大,这可能是由于红橡的结构较柚木粗,管孔较大,更易于热量的传递和分布。根据木材学理论,木材是一种弹性-塑性体,主要组分为纤维素、半纤维素和木素,各成分均有玻璃化转变温度,若给予木材一定的水分和温度,就可发生玻璃化转变,其机械性能发生迅速变化。虽然纤维素、半纤维素和木素的软化温度都在100℃以上,但当它吸入大量水分时,其玻璃化转变温度就会降低。在刨切过程中,刨刀刃口处的温度达150℃,可使木材软化,并更容易发生形变,易于被切削,从而减少木材撕裂,使板面更光滑。3热蒸汽强调木材内部的强度(1)通过热油加热刨刀,当热油温度为200℃时,刨刀刃口温度达150℃,可瞬时加热切削区木材,木材切削层会产生瞬间蒸汽压,热蒸汽渗透到木材内部,可达到软化木材和增加刃口边木材的塑性的效果。(2)加热刨切与未加热